气流辅助无针静电纺丝制备高效空气过滤用方便面状卷曲纳米纤维膜

DOI: 10.1002/smll.202107250

颗粒物（PM）污染已成为当下一个严重的环境问题。据广泛报道，纳米纤维过滤器可有效去除污染空气中的PM。在此，研究者提出了一种高效轻质的PM空气过滤器，该过滤器采用由气流场和二次感应电场等辅助场组成的气流协同无针静电纺丝技术制备而成。与使用其他喷丝头的无针静电纺丝相比，其显著提高了纤维空气过滤器的生产率、纤维直径和孔隙率。方便面状的纳米纤维结构也可以通过调节气流速度来进行控制。实验表明，该类空气过滤器具有较高的（2.5μm颗粒物）PM2.5去除效率（99.9%）和（0.3μm颗粒物）PM0.3去除效率（99.1%）、低压降（PM2.5为56Pa，PM0.3为78Pa），以及较大的容尘量（PM2.5最大值为168g/m2，PM0.3最大值为102g/m2）。同时，对所提出的PM过滤器进行测试，其适用于香烟烟雾和锯末等其他污染空气过滤。综上，对这种极具吸引力的纳米纤维结构的大规模合成展现了高性能过滤/分离材料的巨大潜力。

图1.气流协同无针静电纺丝（ASNE）技术和纳米纤维产物示意图。a）ASNE的3D示意图。b）通过横截面视图展示ASNE的内部结构。c）纺丝溶液的力分析及纺丝过程中聚合物射流的演变。d）沉积在PP无纺布上的PVA纳米纤维的数字图像。插图为侧视图数码照片。e）由ASNE制造的PVA纳米纤维的SEM图像。f）PVA和PP样品横截面的SEM图像。插图为横截面的放大图像，展示出混乱的结构。

图2.灵感产生过程和工程化纳米纤维。a）方便面以及方便面和面粉的SEM照片。b）在不同气流速度下针式静电纺丝和ASNE工艺中聚合物射流的视频说明。c）与（b）相关的不同气流速度下的欧姆流动长度。d）在不同气流速度下制造的纳米纤维的曲率。插图为计算说明。e）在不同气流速度下，通过针式静电纺丝和ASNE制备的PVA纳米纤维的SEM图像和相应的纤维直径分布图。

图3.空气过滤性能。采用针式静电纺丝和ASNE工艺制备的PVA纳米纤维膜的a）空气过滤效率、b）压降、c）品质因数和d）容尘量，使用0.3µm颗粒物进行测试。采用针式静电纺丝和ASNE工艺制备的PVA纳米纤维膜的e）空气过滤效率、f）压降、g）品质因数和h）容尘量，使用2.5µm颗粒物进行测试。

图4.a）在同一环形框架上具有不同基重的空气过滤器的数字图像。b）在PM2.5过滤介质下，过滤效率和压力随着基重的变化而变化。c）在PM2.5过滤介质下，品质因数随着基重的变化而变化。d）在PM2.5过滤介质下，将这种纳米纤维过滤器与其他过滤器进行比较。e）在PM0.3过滤介质下，过滤效率和压力随着基重的变化而变化。f）在PM0.3过滤介质下，品质因数随着基重的变化而变化。g）在PM0.3过滤介质下，将这种纳米纤维过滤器与其他过滤器进行比较。h）压降和过滤机制演变随着测试时间的变化而变化。i-k）不同状态下沉积在纳米纤维上的气溶胶颗粒的SEM图像。比例尺代表1µm。

图5.a）PVA纳米纤维交联前后的SEM图像。比例尺代表10µm。b）PVA纳米纤维膜交联前后的FTIR光谱。c）不同交联时间的PVA纳米纤维的水接触角。d）不同交联时间的PVA纳米纤维的空气过滤效率和阻力。

图6.a）不同纤维直径（300、200和100nm）的单纤维区域的速度分布模拟。b）具有不同连接结构的纤维区域的速度分布模拟：合并纤维、交叉纤维和卷曲纤维。

图7.a）室外过滤测试仪示意图。b）过滤后PVA纳米纤维膜的数字图像，以及过滤后PVA纳米纤维膜正面和背面的SEM图像。c,d）使用不同颗粒介质进行PVA纳米纤维膜过滤试验。e）2020年12月1日至2020年12月31日在中国成都进行的室外过滤测试。插图为延长周期测试的自动测试设置。f）PVA纳米纤维覆盖一般PP口罩的图片。g）不同流速下普通口罩和覆盖有PVA纳米纤维的普通口罩的过滤效率和阻力比较。

成果简介

由二维MXene材料制成的独立和可弯曲薄膜由于其高度的灵活性、结构稳定性和高导电性，已显示出作为储能器件电极的巨大潜力。然而，MXene板不可避免重新堆叠很大程度上限制了其电化学性能。 本文，西北工业大学材料学院党阿磊、李铁虎教授等研究人员在《ACS Appl. Energy Mater.》期刊 发表名为“Flexible Ti3C2Tx/Carbon Nanotubes/CuS Film Electrodes Based on a Dual-Structural Design for High-Performance All-Solid-State Supercapacitors”的论文， 研究通过交替过滤Ti3C2Tx/碳纳米管（CNT）杂化和CuS分散的逐层（LbL）方法，通过双重结构设计制备了具有三明治状结构的膜电极。

引入的碳纳米管和赝电容CU提供了丰富的活性位点，以增加电极的存储容量。增大的层间距有利于电解质离子的传输。因此，厚度为17μm的优化Ti3C2Tx/CNTs/CuS-LbL-15薄膜电极（1.7 mg/cm3）在聚乙烯醇（PVA）/H2SO4凝胶电解质中仍表现出1 a/g的高重量电容（336.7 F/g）和体积电容（572.4 F/cm3），这两者在过去的报告中在相同厚度下都是最高的。同时，该样品在电流密度为9A/g时表现出令人印象深刻的速率能力，57%的电容保持率，在高速率为5a/g的5000次循环后保持99.6%的初始容量的超稳定循环，以及在不同弯曲状态下的良好柔韧性。此外，全固态对称超级电容器在340 W/L的功率密度下显示出12.72 Wh/L的能量密度。这项工作为组装高性能储能器件的Ti3C2Tx/CNT和CuS混合电极提供了有效途径。

图文导读

图1. (a) LbL法制备夹层状Ti3C2Tx /CNTs/CuS薄膜的工艺示意图。(b)在直径为5mm的玻璃棒上包裹独立的柔性 Ti3C2Tx /CNTs/CuS薄膜的数字图像，以及 (c) 用手折叠的相应平面状薄膜。

图2. Ti3C2Tx /CuS-LbL-5 (a) 和Ti3C2Tx /CuS-LbL-15 (b) 薄膜横截面的SEM图像及其对应的 Ti 和铜元素。(c) 样品XRD光谱的比较。（d）和（e）分别是（c）在2θ的5-10和26-35 范围内的放大图。(f) 样品的相应拉曼光谱。

图3. (a) Ti3C2 Tx基薄膜电极全固态超级电容器示意图。(b) 纯Ti3C2 Tx、Ti3C2 Tx /CuS-LbL-5 和Ti3C2 Tx/CuS-LbL-15薄膜在5 mV扫描速率下的CV曲线比较/秒。(c) Ti3C2 Tx/CuS-LbL-15在1至9 A/g 的不同电流密度下的恒电流充电/放电 (GCD) 曲线。(d) Ti3C2 Tx/CuS-LbL-15 的CV曲线比较和Ti3C2 Tx/CuS-hybrid-15在5mV/s 的扫描速率下和 (e) 在1A/g电流密度下的相应GCD曲线。

图4、电化学性能

图5. (a) 组装后的超级电容器在不同弯曲状态下的光学图像。(b) Ti3C2 Tx/CNTs/CuS-LbL-5薄膜在5 mV/s的扫描速率下不同弯曲角度的CV曲线。(c) 与之前报道的作品相比，超级电容器的体积功率和能量密度图。

小结

综上所述，采用 LbL 方法制备了具有夹层结构的可弯曲和独立的 Ti3C2 Tx /CNTs/CuS 复合膜电极，其中 Ti3C2 Tx/CNTs 杂化片材和CuS活性材料分别为通过过滤交替堆积。这项工作为全固态SCs设计高性能电极提供了一种有效的方法，在柔性和可穿戴电子产品中具有巨大的应用潜力。

文献：

https://doi.org/10.1021/acsaem.2c01738

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